山區(qū)公路橋涵設(shè)計及其優(yōu)化研究

李俊林

(山西交控集團(tuán)太舊高速公路分公司，山西 太原 030031)

0 前 言

目前，山區(qū)橋涵設(shè)計中還存在很多亟待解決的問題，例如山區(qū)橋涵設(shè)計理念有待更新、結(jié)構(gòu)體系有待完善、施工和管理人員的水平有待提高、山區(qū)橋涵的安全和壽命缺少足夠的重視等。在山區(qū)橋涵建設(shè)中要始終秉持實用性、安全穩(wěn)定性、可靠性、美觀協(xié)調(diào)性為基本原則，對山區(qū)橋涵的建設(shè)進(jìn)行全方位的考察，包括選擇合適的橋涵構(gòu)造、橋涵設(shè)置位置，準(zhǔn)確計算橋涵道路的承載力和流量，設(shè)計科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系和養(yǎng)護(hù)方案等。最后結(jié)合工程實例，具體分析了山區(qū)公路橋涵優(yōu)化設(shè)計的要點(diǎn)。

1 山區(qū)公路橋涵設(shè)計中存在的問題

1.1 施工和管理水平

道路橋涵事故的原因主要有：設(shè)計不合理、施工不規(guī)范、管理不到位。要想保證修建的道路橋涵能夠安全長久地保持通行狀態(tài)，每個環(huán)節(jié)都需要加大重視，尤其是管理方面，作為橋涵建設(shè)項目施工的統(tǒng)籌工作，管理的漏洞會直接為橋涵今后的事故埋下鋪墊。設(shè)計和施工不達(dá)標(biāo)也會給橋涵留下安全隱患，例如采用不合理的橋涵結(jié)構(gòu)和材料，沒有使用最先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，施工過程中以次充好、偷工減料等惡習(xí)，這樣建成的道路橋涵危害更甚。

1.2 缺乏安全性和耐久性的重視

道路橋涵的設(shè)計圖紙是橋涵的靈魂，科學(xué)合理的設(shè)計方案才能建設(shè)安全耐久的橋涵，設(shè)計圖紙對橋涵的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用。而一些人為了追求經(jīng)濟(jì)利益，總想著節(jié)約開支而設(shè)計不合理的圖紙、選用不合規(guī)的建筑材料，導(dǎo)致橋涵在設(shè)計之初存在問題，使道路橋涵缺乏安全性和耐久性，對于山區(qū)道路橋涵而言危害更大，不僅是因為山區(qū)道路建設(shè)要求和成本更高，而且山區(qū)道路救援更是比其他地區(qū)更為復(fù)雜和艱難，一旦出現(xiàn)交通安全事故，很難保證駕駛?cè)藛T和乘坐人員的生命財產(chǎn)安全。因此，道路橋涵的安全性和耐久性需要得到所有參與設(shè)計和建設(shè)人員的高度重視。

1.3 設(shè)計理念和構(gòu)造體系的不完善

道路橋涵的設(shè)計理念和構(gòu)造體系是需要道路橋涵設(shè)計人員首要關(guān)注的重點(diǎn)，在設(shè)計之初就要綜合考慮道路的各方面因素，仔細(xì)分析計劃建設(shè)的橋涵的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件連接等，通過綜合評估選出科學(xué)經(jīng)濟(jì)合理的建設(shè)方案，兼顧橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)造、體系和材料的選擇，盡量減少設(shè)計和施工過程中人為因素的干擾。

2 山區(qū)公路橋涵結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

山區(qū)橋涵在設(shè)計時要重點(diǎn)關(guān)注橋墩和橋涵跨徑之間的上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系。要計算好橋墩與橋涵跨徑之間的邏輯比值，一般情況下是0.618～1，在這一比值范圍內(nèi)的橋墩和橋涵的關(guān)系不僅美觀，而且能最大限度地節(jié)省造價。如果受到山川地形地勢、水文水系的影響，則不能依照一般比例來參考橋墩來決定橋涵的跨徑，而是要依據(jù)實際情況選擇合適的跨徑，且不會影響到橋涵本身的質(zhì)量。

山區(qū)橋涵經(jīng)常伴隨著建設(shè)彎梁橋，在彎梁橋的設(shè)計中計算其斜率是彎梁橋設(shè)計工作中最重要的一步。在彎梁橋橫坡設(shè)置的同時，還要考慮駕駛員的舒適度。在設(shè)置橋涵結(jié)構(gòu)時一般要求橋面的外側(cè)高出橋面以形成以內(nèi)側(cè)為基準(zhǔn)的橫坡。設(shè)置坡度時，一般會有以下方案：①使橋涵橫坡的結(jié)構(gòu)處于相同高度，將墩梁傾斜，以使支座中的支撐石和楔形砌塊作支撐導(dǎo)致支座的承受力達(dá)到平衡；②在橋涵設(shè)計時可使用一些方法來使橋涵橫坡的結(jié)構(gòu)高度不同。典型上部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)圖

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

山區(qū)橋涵的橋墩是支撐整個橋面的基礎(chǔ)，受山區(qū)地勢地形的影響，橋涵一般跨徑較大，比如橫跨河流、溝壑等起伏較大的地帶，因此，橋墩的高度也會隨著地形地勢的變化而變化。橋墩的高度和墩型需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地勢地形、水文水系等自然生態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人文條件為依據(jù)，選擇合適的方案。橋墩的高度設(shè)計不合理將直接影響山區(qū)橋涵的可靠性和穩(wěn)定性。一般橋墩的墩型有柱形橋墩、變截面T墩和空心薄壁墩等樣式，其中最常見的是柱形橋墩，橋涵設(shè)計人員會根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮選擇何種橋型和橋墩。柱形橋墩一般分為方形橋墩和圓柱形橋墩，圓柱形橋墩一般會比方形橋墩結(jié)構(gòu)簡單，施工更方便，應(yīng)用范圍更廣；方形橋墩的結(jié)構(gòu)相對協(xié)調(diào)，橋涵整體的剛度較大，穩(wěn)定性更好，但需要配合其他輔助工具，例如將樁帽與樁基連接進(jìn)行橋涵的施工，一定意義上增加了施工的難度和工程量。橋涵下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建設(shè)應(yīng)基于方形橋墩和圓柱形橋墩(見圖2)的優(yōu)缺點(diǎn)來進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)?shù)乜墒┕さ木唧w條件來選擇理想的橋墩樣式，綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等要求，還要結(jié)合橋涵上部結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)來決定橋涵的下部結(jié)構(gòu)。

2.3 橋臺和基礎(chǔ)設(shè)計

2.3.1 橋臺設(shè)計

山區(qū)橋涵橋臺的選擇除了受山地地形地勢的影響，在設(shè)計上還需要考慮其他影響因素，比如山體兩側(cè)的施工條件、山體的傾斜程度、山體動土和臺前填土的可操作性等都會影響橋涵橋臺的選擇方案。常見的橋臺類型有柱形橋臺、T型橋臺、U型橋臺等，要基于山區(qū)的具體特征選擇合適的橋臺類型，以保障山區(qū)橋涵的穩(wěn)定性和安全性，同時還要計算橋臺施工的可行性。例如，遇到施工山體的傾斜度較大，此時需要設(shè)計人員考慮是否采用T型橋臺或者U型橋臺，因為這類橋臺可以減少山體的開挖，減輕施工的難度和復(fù)雜度，也可以減少工程造價，同時這類橋臺也可以很好地減輕橋臺在山區(qū)施工的復(fù)雜度，提高橋涵的安全性和可靠性，而一般不會選擇使用錐坡式橋臺來進(jìn)行斜坡山體的施工。

2.3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

山區(qū)橋涵的基礎(chǔ)一般用得最多的還是樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)，對于地質(zhì)條件好的山區(qū)大多數(shù)情況下還是會選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)，有時會選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)中的分離式擴(kuò)基礎(chǔ)。分離式擴(kuò)基礎(chǔ)能夠滿足橫坡地勢地形，并且擁有很好的承載力。對于斜坡山體的基礎(chǔ)選擇而言，需要考量覆蓋層的厚度和基礎(chǔ)擴(kuò)散角對施工過程中產(chǎn)生的影響。樁基礎(chǔ)分為摩擦樁基礎(chǔ)、柱狀基礎(chǔ)和嵌巖基礎(chǔ)，其中摩擦樁基礎(chǔ)主要用在地質(zhì)條件較差的山體路段。樁基礎(chǔ)的施工方式分為鉆孔式施工和挖孔式施工，其中挖孔式施工程序較復(fù)雜，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件來具體分析是否可采用挖孔式方案，例如樁基礎(chǔ)的樁長相對較長時可采用挖孔式，流沙層多、漂流石多的地質(zhì)條件也適用于這種方式，挖孔式造樁造價成本比較低，但是要結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w條件，保障橋涵的安全可靠是首要要求。

2.4 山區(qū)公路涵洞設(shè)計

2.4.1 涵洞結(jié)構(gòu)形式的選擇

涵洞的設(shè)計應(yīng)因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)丶皹蚝l(fā)展需要，基于經(jīng)濟(jì)、安全、適用、美觀的原則進(jìn)行涵洞的設(shè)計和建設(shè)。涵洞的建設(shè)還需要參照實際施工地周邊的地質(zhì)條件以及施工場地的限制，做到實用與觀賞相結(jié)合的理想狀態(tài)。涵洞結(jié)構(gòu)常見的有管涵、石拱涵、鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵等。

常見的管涵結(jié)構(gòu)有混凝土結(jié)構(gòu)和波紋鋼片結(jié)構(gòu)。其中混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋用量不大，制作方便，施工速度快，但混凝土結(jié)構(gòu)由于自身的特性，容易出現(xiàn)開裂滲水的問題，且不易維護(hù)和修理，不利于橋涵的穩(wěn)定性。而波紋鋼片結(jié)構(gòu)使用鋼片拼接，施工速度與混凝土相當(dāng)，但波紋鋼片結(jié)構(gòu)可接受一定的變形量，可以應(yīng)對路基的不均勻下沉。但波紋鋼片結(jié)構(gòu)建設(shè)強(qiáng)度大，成本高，且管內(nèi)易產(chǎn)生泥沙堆積，影響排水的流暢。

石拱涵可采用就近取材的方案，成本低、施工簡單易操作，且石材使用壽命長，耐磨性比較好，維護(hù)成本也比較低，但是石材重量比較大，且山區(qū)不便于機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作，需要人工砌筑，施工速度慢、強(qiáng)度大，對于地基要求相對較高。

相較于其他材料，鋼筋混凝土蓋板涵結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，對地基要求不高，方便養(yǎng)護(hù)和維修，制作和施工都比較方便快捷。

箱涵一般擁有較好的整體性，對地基也有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但是這類結(jié)構(gòu)的涵洞一般采用鋼材制造，成本較高，制造和施工難度較大。

涵洞結(jié)構(gòu)的選擇需要結(jié)合山區(qū)橋涵整體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、山區(qū)地勢地形的走向以及水文水系對沿線居民的影響大小來決定采取何種結(jié)構(gòu)的涵洞。

2.4.2 涵洞立面布置

山區(qū)涵洞的立面布置需要綜合考慮各方面的因素，比如進(jìn)出水口標(biāo)高、路基橫斷面形式、自然溝底縱坡等。河溝縱坡≤3%，涵長≤15 m時，可以將涵洞的基礎(chǔ)水平布置，涵底鋪設(shè)的縱坡可以1%～3%，如果縱坡介于3%～6%，涵底可以鋪設(shè)與河溝平行的縱坡。

2.4.3 洞口構(gòu)筑物的選擇

洞口構(gòu)筑物的設(shè)計需要設(shè)計人員根據(jù)涵洞的實際情況有針對性地進(jìn)行設(shè)計。洞口的設(shè)計比較復(fù)雜，一般會結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚貏莺退乃堤攸c(diǎn)設(shè)計洞口的結(jié)構(gòu)，常見的洞口類型有八字墻、一字墻、直墻式和跌水井等。八字墻形式的洞口一般周圍地勢較為平坦，河溝比較寬。如果河溝還有一定的溝渠，涵洞也可進(jìn)行排水，則可以將八字墻升級成直墻式洞口。

3 結(jié) 論

在進(jìn)行山區(qū)橋涵設(shè)計時不能局限于以往對公路橋涵的設(shè)計經(jīng)驗上，需要設(shè)計人員充分考慮到山區(qū)的特殊自然環(huán)境，嚴(yán)格按照山區(qū)公路橋涵的設(shè)計要求與規(guī)定結(jié)合山區(qū)地貌進(jìn)行設(shè)計，使得山區(qū)公路橋涵設(shè)計的順利進(jìn)行，保證山區(qū)公路橋涵工程的圓滿竣工。

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